Imperfeicoes Cristalinas

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Introdução à Tecnologia dos MateriaisIntrodução à Tecnologia dos Materiais
Florianópolis, 14 de setembro de 
2013
Ciência e Tecnologia dos 
Materiais
Antonio Augusto Morini
antonio.morini@ifsc.edu.br
Slides adaptados a partir do material desenvolvido por Slides adaptados a partir do material desenvolvido por EleaniEleani Maria da Costa Maria da Costa –– DEM/PUCRSDEM/PUCRS
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Introdução à Tecnologia dos MateriaisIntrodução à Tecnologia dos Materiais
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- Defeitos pontuais
- Defeitos de linha (discordâncias)
- Defeitos de interface (grão e maclas)
- Defeitos volumétricos (inclusões, 
precipitados)
Imperfeições Cristalinas: ImperfeiImperfeiçções Cristalinas: ões Cristalinas: 
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo 
periódico regular dos átomos em um cristal. 
Podem envolver uma irregularidade 
� na posição dos átomos
� no tipo de átomos
O tipo e o número de defeitos dependem do 
material, do meio ambiente, e das 
circunstâncias sob as quais o cristal é
processado. 
O que é um defeito? O que O que éé um defeito? um defeito? 
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Apenas uma pequena fração dos sítios 
atômicos são imperfeitos
Menos de 1 em 1 milhão
Mesmo sendo poucos eles influenciam 
muito nas propriedades dos materiais;
Algumas vezes de forma negativa e 
outras de forma positiva.
Imperfeições estruturais ImperfeiImperfeiçções estruturais ões estruturais 
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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DEFEITOS
INTRODUÇÃO
SELETIVA
CONTROLE 
DO NÚMERO ARRANJO
Permite desenhar e criar novos materiais 
com a combinação desejada de propriedades
Criar as Imperfeições Estruturais 
Importância 
Criar as ImperfeiCriar as Imperfeiçções Estruturais ões Estruturais 
Importância Importância 
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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� O processo de dopagem (adição controlada de 
impurezas químicas) em semicondutores visa criar 
imperfeições para mudar o tipo de condutividade 
em determinadas regiões do material;
� A deformação mecânica dos materiais promove 
a formação de imperfeições que geram um 
aumento na resistência mecânica (encruamento)
� Encruamento é o endurecimento e aumento da 
resistência do material, através da modificação 
de sua estrutura pela deformação plástica (após 
o limite de escoamento), realizada abaixo da 
temperatura de recristalização.
Imperfeições estruturais - Exemplos ImperfeiImperfeiçções estruturais ões estruturais -- Exemplos Exemplos 
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� Wiskers de ferro (sem 
imperfeições do tipo 
discordâncias);
� Apresentam 
resistência maior que 
70 GPa, enquanto;
� O ferro comum 
rompe-se a 
aproximadamente 
270 MPa.
Imperfeições estruturais - Exemplos ImperfeiImperfeiçções estruturais ões estruturais -- Exemplos Exemplos 
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Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 
posições atômicas
Defeitos lineares uma dimensão
Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas 
dimensões 
Defeitos volumétricos três dimensões
Imperfeições estruturais - Exemplos ImperfeiImperfeiçções estruturais ões estruturais -- Exemplos Exemplos 
São classificados de acordo com sua geometria ou 
dimensões
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Vacâncias ou vazios
Átomos Intersticiais
Schottky
Frenkel Ocorrem em sólidos iônicos
1 – Defeitos pontuais 1 1 –– Defeitos pontuais Defeitos pontuais 
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Envolve a falta de um 
átomo
São formados durante 
a solidificação do 
cristal ou como 
resultado das vibrações 
atômicas (os átomos 
deslocam-se de suas 
posições normais)
1.1 – Vacâncias ou vazios 1.1 1.1 –– Vacâncias ou vazios Vacâncias ou vazios 
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O número de vacâncias aumenta exponencialmente 
com a temperatura. Por quê??
Nv= N exp (-Qv/KT)
Nv= número de vacâncias
N= número total de sítios atômicos
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
K= constante de Boltzman = 1,38065x10-23J/K ou 
8,617x10-5 eV/K
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1.1 – Vacâncias ou vazios 1.1 1.1 –– Vacâncias ou vazios Vacâncias ou vazios 
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Envolve um átomo extra no 
interstício (retirado de outro 
local do próprio cristal)
Produz uma distorção no 
reticulado, já que o átomo 
geralmente é maior que o 
espaço do interstício
A formação de um defeito 
intersticial implica na 
criação de uma vacância, 
por isso este defeito é
menos provável que uma 
vacância
1.2 – Átomos Intersticiais 1.2 1.2 –– ÁÁtomos Intersticiais tomos Intersticiais 
Vacância
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Átomo intersticial pequeno
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede
1.2 – Átomos Intersticiais 1.2 1.2 –– ÁÁtomos Intersticiais tomos Intersticiais 
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Presentes em 
compostos que tem 
que manter o 
balanço de cargas
Envolve a falta de 
um ânion e/ou um 
cátion
1.3 – Schottky 1.3 1.3 –– Schottky Schottky 
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Ocorre em sólidos 
iônicos
Ocorre quando um 
íon sai de sua 
posição normal e vai 
para um interstício
interstício
1.4 – Frenkel1.4 1.4 –– FrenkelFrenkel
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Um metal considerado puro sempre tem 
impurezas (átomos estranhos) 
presentes
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3
A presença de impurezas promove a 
formação de defeitos pontuais
Impureza inseridas nos sólidos Impureza inseridas nos sImpureza inseridas nos sóólidos lidos 
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As impurezas (chamadas elementos 
de liga) são adicionadas 
intencionalmente com a finalidade:
� Aumentar a resistência mecânica;
� Aumentar a resistência à corrosão;
� Aumentar a condutividade elétrica;
� Etc.
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Ligas MetálicasLigas MetLigas Metáálicaslicas
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< quantidade:
Elemento de liga ou Impureza (soluto)
>quantidade
Matriz ou Hospedeiro (solvente) 
Termos utilizados Termos utilizados Termos utilizados 
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Nas soluções sólidas as impurezas 
podem ser:
- Intersticial
- Substitucional
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Ordenada
Desordenada
Soluções sólidasSoluSoluçções sões sóólidaslidas
••Intersticial:Intersticial: As impurezas (As impurezas (áátomos) se alocam no tomos) se alocam no 
interstinterstíício dos cio dos áátomos da matriz;tomos da matriz;
••SubstitucionalSubstitucional:: Os Os áátomos (impurezas) se tomos (impurezas) se 
alocam entre os alocam entre os áátomos da matriztomos da matriz
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Os átomos de impurezas ou os elementos de 
liga ocupam os espaços dos interstícios
Ocorre quando a impureza apresenta raio 
atômico bem menor que o hospedeiro
Como os materiais metálicos tem geralmente 
fator deempacotamento alto as posições 
intersticiais são relativamente pequenas
Geralmente, no máximo 10% de impurezas 
são incorporadas nos interstícios
Soluções sólidas intersticiaisSoluSoluçções sões sóólidas intersticiaislidas intersticiais
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Fe + C solubilidade máxima do C no 
Fe é 2,1% a 910 °C (Fe CFC)
O C tem raio atômico bastante pequeno 
se comparado com o Fe
rC= 0,071 nm = 0,71 A
rFe= 0,124 nm= 1,24 A
Exemplo de soluções sólida intersticial 
FeC
Exemplo de soluExemplo de soluçções sões sóólida intersticial lida intersticial 
FeCFeC
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O carbono é mais 
solúvel no Ferro 
CCC ou CFC, 
considerando a 
temperatura 
próxima da 
transformação 
alotrópica?
ccc
cfc
Solubilidade do carbono no ferroSolubilidade do carbono no ferroSolubilidade do carbono no ferro
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No ferro CFC.
À temperatura de 911 
°C a ferrita (CCC) se 
transforma em 
austenita.
No diagrama FeC têm-
se:
� Ferrita máx 0,008 % C
� Cementita máx 2,11%C
ccc
cfc
Solubilidade do carbono no ferroSolubilidade do carbono no ferroSolubilidade do carbono no ferro
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SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA
Tipos de soluções sólidas 
substitucionais
Tipos de soluTipos de soluçções sões sóólidas lidas 
substitucionaissubstitucionais
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Raio atômico deve ter uma 
diferença de no máximo 15%, caso 
contrário pode promover distorções na 
rede e assim formação de nova fase
Estrutura cristalina mesma
Eletronegatividade próximas
Valência mesma ou maior que a do 
hospedeiro
Fatores que influem na formação de 
soluções sólidas substitucionais (ligas)
Regra de Home-Rothery
Fatores que influem na formaFatores que influem na formaçção de ão de 
solusoluçções sões sóólidas lidas substitucionaissubstitucionais (ligas)(ligas)
Regra de Regra de HomeHome--RotheryRothery
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Tabela de eletronegatividadeTabela de Tabela de eletronegatividadeeletronegatividade
Eletronegatividade: Capacidade de um átomo atrair elétrons para ele
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Cu + Ni são solúveis em todas as 
proporções
Cu Ni
Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A
Estrutura CFC CFC
Eletronegatividade 1,9 1,8
Valência +1 (as vezes +2) +2
Exemplo de soluções sólidas 
substitucionais
Exemplo de soluExemplo de soluçções sões sóólidas lidas 
substitucionaissubstitucionais
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As discordâncias estão associadas com a 
cristalização e a deformação (origem: 
térmica, mecânica e supersaturação de 
defeitos pontuais)
A presença deste defeito é a responsável pela 
deformação, falha e ruptura dos materiais
2 – Defeitos Lineares
Discordâncias
2 2 –– Defeitos LinearesDefeitos Lineares
DiscordânciasDiscordâncias
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Podem ser:
- Cunha
- Hélice
- Mista
2 – Defeitos Lineares
Discordâncias
2 2 –– Defeitos LinearesDefeitos Lineares
DiscordânciasDiscordâncias
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Dá a magnitude e a direção de 
distorção da rede
Corresponde à distância de 
deslocamento dos átomos ao redor da 
discordância
Vetor de Burger (b)Vetor de Vetor de BurgerBurger (b)(b)
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
31
Envolve um SEMI-
plano extra de 
átomos
O vetor de Burger é
perpendicular à
direção da linha da 
discordância
Envolve zonas de 
tração e 
compressão
2.1 – Discordância em Cunha2.1 2.1 –– Discordância em CunhaDiscordância em Cunha
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
2.1 – Discordância em Cunha2.1 2.1 –– Discordância em CunhaDiscordância em Cunha
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
2.1 – Discordância em Cunha2.1 2.1 –– Discordância em CunhaDiscordância em Cunha
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Produz 
distorção na 
rede
O vetor de 
burger é
paralelo à
direção da 
linha de 
discordância
2.2 – Discordância em Hélice2.2 2.2 –– Discordância em HDiscordância em Héélicelice
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2.1 – Discordância em Hélice2.1 2.1 –– Discordância em HDiscordância em Héélicelice
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DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE 
UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS 
SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTO SUPERFICIAIS. 
(Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).
2.1 – Discordância em Hélice2.1 2.1 –– Discordância em HDiscordância em Héélicelice
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Diretamente TEM ou HRTEM
Indiretamente SEM e 
microscopia óptica (após ataque 
químico seletivo)
� TEM – Microscopia Eletrônica de Transmissão
� HRTEM – Microscopia Eletrônica de Transmissão 
de Alta Definição
� SEM – Microscopia Eletrônica de Varredura
Observação das discordânciasObservaObservaçção das discordânciasão das discordâncias
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Discordâncias – HRTEMDiscordâncias Discordâncias –– HRTEMHRTEM
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Discordâncias – HRTEMDiscordâncias Discordâncias –– HRTEMHRTEM
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InSb – Antimoneto de Índio GaSb – Antimoneto de Gálio
Figura de Ataque produzida na 
discordâncias – SEM
Figura de Ataque produzida na Figura de Ataque produzida na 
discordâncias discordâncias –– SEMSEM
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A quantidade e o movimento das discordâncias 
podem ser controlados pelo grau de deformação 
(conformação mecânica) e/ou por tratamentos 
térmicos 
Com o aumento da temperatura há um aumento na 
velocidade de deslocamento das discordâncias 
favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e 
formação de discordâncias únicas
Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em 
torno das discordâncias formando uma atmosfera de 
impurezas
Considerações GeraisConsideraConsideraçções Geraisões Gerais
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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O cisalhamento se dá mais facilmente nos 
planos de maior densidade atômica, por 
isso a densidade das mesmas depende da 
orientação cristalográfica 
As discordâncias geram vacâncias
As discordâncias influem nos processos de 
difusão
As discordâncias contribuem para a 
deformação plástica
Considerações GeraisConsideraConsideraçções Geraisões Gerais
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
Envolvem fronteiras (defeitos em duas 
dimensões) e normalmente separam 
regiões dos materiais de diferentes 
estruturascristalinas ou orientações 
cristalográficas
3 – Defeitos planos ou interfaciais3 3 –– Defeitos planos ou interfaciaisDefeitos planos ou interfaciais
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Superfície externa
Contorno de grão
Fronteiras entre fases
Maclas ou Twins
Defeitos de empilhamento
3 – Defeitos planares ou interfaciais3 3 –– Defeitos Defeitos planaresplanares ou interfaciaisou interfaciais
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� É o mais óbvio
� Na superfície os átomos não estão 
completamente ligados 
� Então o estado energia dos átomos na 
superfície é maior que no interior do cristal
� Os materiais tendem a minimizar está
energia
� A energia superficial é expressa em 
erg/cm2 ou J/m2 (1 J/m2 = 1000 erg/cm2)
3.1 – Defeitos na superfície externa3.1 3.1 –– Defeitos na superfDefeitos na superfíície externacie externa
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� Corresponde à região que separa dois ou 
mais cristais de orientação diferente 
um cristal = um grão
� No interior de cada grão todos os átomos estão 
arranjados segundo um único modelo e única 
orientação, caracterizada pela célula unitária
3.2 – Contorno de Grão3.2 3.2 –– Contorno de GrãoContorno de Grão
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MonocristalMonocristal:
Material com apenas uma orientação cristalina, 
ou seja, que contém apenas um grão
PolicristalPolicristal:
Material com mais de uma orientação 
cristalina, ou seja, que contém vários grãos
Monocristal e PolicristalMonocristal e Monocristal e PolicristalPolicristal
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Lingote de Alumínio PolicristalinoLingote de AlumLingote de Alumíínio nio PolicristalinoPolicristalino
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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A forma do grão A forma do grão éé controladacontrolada:
- pela presença dos grãos circunvizinhos
O tamanho de grão O tamanho de grão éé controladocontrolado
- Composição química
- Taxa (velocidade) de cristalização ou 
solidificação
GRÃOGRÃOGRÃO
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A forma do grão A forma do grão éé
controladacontrolada:
- pela presença dos 
grãos circunvizinhos
O tamanho de grão O tamanho de grão éé
controladocontrolado
- Composição
- Taxa de cristalização 
ou solidificação
Formação dos GrãosFormaFormaçção dos Grãosão dos Grãos
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Há um empacotamento ATÔMICO 
menos eficiente
Há uma energia mais elevada
Favorece a nucleação de novas fases 
(segregação)
Favorece a difusão
O contorno de grão ancora o movimento 
das discordâncias
Considerações gerais – contorno de grãoConsideraConsideraçções gerais ões gerais –– contorno de grãocontorno de grão
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois 
constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO 
QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO
......... A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
DISCORDÂNCIA
Discordância e Contorno de GrãoDiscordância e Contorno de GrãoDiscordância e Contorno de Grão
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Ocorre quando a 
desorientação dos 
cristais é pequena
É formado pelo 
alinhamento de 
discordâncias
Contorno de pequeno ânguloContorno de pequeno ânguloContorno de pequeno ângulo
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Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA)
Utiliza ataque químico específico para 
cada material
O contorno geralmente é mais reativo
Observação dos grãos e Contorno de grãoObservaObservaçção dos grãos e Contorno de grãoão dos grãos e Contorno de grão
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Grãos visto no Microscópio ÓticoGrãos visto no MicroscGrãos visto no Microscóópio pio ÓÓticotico
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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O tamanho de grão influi nas propriedades 
dos materiais
Para a determinação do tamanho de grão 
utiliza-se cartas padrões
ASTM E 112
Tamanho do GrãoTamanho do GrãoTamanho do Grão
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Tamanho: 1 à 8
N= 2 N= 2 nn--11
NN= número médio de grãos por polegada 
quadrada
nn= tamanho de grão
Quanto maior o número menor 
o tamanho de grão da amostra
Determinação do tamanho do grão
(ASTM E 112)
DeterminaDeterminaçção do tamanho do grãoão do tamanho do grão
(ASTM E 112)(ASTM E 112)
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Existem vários softwares comerciais de 
simulação e determinação do tamanho 
de grão
Existem vExistem váários softwares comerciais de rios softwares comerciais de 
simulasimulaçção e determinaão e determinaçção do tamanho ão do tamanho 
de grãode grão
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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Em geral, por questões termodinâmicas (energia) 
os grãos maiores crescem mais, em detrimento 
dos menores 
Crescimento do grão com a temperaturaCrescimento do grão com a temperaturaCrescimento do grão com a temperatura
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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É um tipo especial de 
contorno de grão
Os átomos de um lado 
do contorno são 
imagens dos átomos do 
outro lado do contorno
A macla ocorre num 
plano definido e numa 
direção específica,
dependendo da 
estrutura cristalina
3.3 – TWINS – Maclas ou Cristais Gêmeos3.3 3.3 –– TWINS TWINS –– MaclasMaclas ou Cristais Gêmeosou Cristais Gêmeos
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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São introduzidas no processamento do 
material e/ou na fabricação do 
componente
4 – Imperfeições Volumétricas4 4 –– ImperfeiImperfeiçções Volumões Voluméétricastricas
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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�� InclusõesInclusões Impurezas estranhas
�� PrecipitadosPrecipitados são aglomerados 
de partículas cuja composição difere da matriz
�� FasesFases forma-se devido à presença de 
impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o 
limite de solubilidade é ultrapassado)
� PorosidadePorosidade origina-se devido a 
presença ou formação de gases
4 – Imperfeições Volumétricas4 4 –– ImperfeiImperfeiçções Volumões Voluméétricastricas
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE 
ALTA PUREZA (99,26%)
LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C. 
InclusõesInclusõesInclusões
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO. 
InclusõesInclusõesInclusões
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
65
�As figuras a seguir apresentam a superfície 
de ferro puro durante o seu processamento por 
metalurgia do pó.
�Nota-se que, embora a sinterização tenha 
diminuído a quantidade de poros bem como 
melhorado sua forma (os poros estão mais 
arredondados), ainda permanece uma 
porosidade residual.
PorosidadePorosidadePorosidade
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitose Imperfeições Cristalinas
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COMPACTADO DE PÓ DE 
FERRO,COMPACTAÇÃO 
UNIAXIAL EM MATRIZ DE 
DUPLO EFEITO, A 550 MPa
COMPACTADO DE PÓ DE FERRO 
APÓS SINTERIZAÇÃO 
A 1150oC, POR 120min EM 
ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO
PorosidadePorosidadePorosidade
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Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
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�A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ 
PERLÍTICA.
�CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS 
DE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO). 
Exemplo de partículas de segunda faseExemplo de partExemplo de partíículas de segunda faseculas de segunda fase
T 
C
M
Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
68
microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas
fases precipitadas
T 
C
M
Defeitos e Imperfeições CristalinasDefeitos e Imperfeições Cristalinas
69
Micrografia da Liga Micrografia da Liga Micrografia da Liga Micrografia da Liga Micrografia da Liga Micrografia da Liga Micrografia da Liga Micrografia da Liga 
AlAlAlAlAlAlAlAl--------3,5%3,5%3,5%3,5%3,5%3,5%3,5%3,5%CuCuCuCuCuCuCuCu no Estado Bruto de Fusãono Estado Bruto de Fusãono Estado Bruto de Fusãono Estado Bruto de Fusãono Estado Bruto de Fusãono Estado Bruto de Fusãono Estado Bruto de Fusãono Estado Bruto de Fusão